一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法
【专利摘要】本发明公开了一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法，包括如下步骤：步骤1，飞轮沿滚动轴安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度；步骤2，飞轮沿偏航轴安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度；步骤3，飞轮斜装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度；步骤4，三轴的磁控电流输出和俯仰轴的飞轮磁卸载融合控制，实现非偏置动量卫星三轴稳定控制。本发明系统配置要求简单，仅需要单个飞轮和磁控实现非偏置动量卫星三轴稳定控制，提高了系统可靠性；能够应用于微小卫星和中大型卫星飞轮故障控制模式；根据滚动和偏航磁场强度进行角动量交换控制与陀螺力矩控制切换，算法计算简单，易于工程应用。
【专利说明】一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星飞轮姿态控制【技术领域】，特别涉及一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法。
【背景技术】
[0002]现有的卫星在轨长期稳态控制主要有零动量和偏置动量两种方式，这两种轮控方式都存在一定的缺点:零动量控制要求至少有3个飞轮可用；偏置动量控制沿俯仰轴安装的动量轮要有较大的角动量，动量轮重量、体积和功耗一般较大。微小卫星对飞轮数量、重量、体积和功耗有较大限制，非偏置动量单飞轮+磁控制算法适用于微小卫星控制，同时也适用于中大型卫星飞轮故障控制模式。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法，该方法系统配置要求简单，仅依靠单个飞轮和磁控即可实现非偏置动量卫星三轴稳定控制。
[0004]为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005]一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特点是，包含如下步骤:
[0006]步骤1、飞轮沿滚动轴安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度:
[0007]当滚动磁场强度绝对值大于偏航磁场强度绝对值时,俯仰轴磁力矩器对偏航姿态进行磁控制，飞轮采用角动量交换方式对滚动姿态进行控制；或，
[0008]当滚动磁场强度绝对值小于等于偏航磁场强度绝对值时，偏航姿态基于陀螺力矩控制，飞轮采用角动量交换方式对滚动姿态进行控制；
[0009]步骤2，飞轮沿偏航轴安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度:
[0010]当偏航磁场强度绝对值大于滚动磁场强度绝对值时,俯仰轴磁力矩器对滚动姿态进行磁控制，飞轮采用角动量交换方式对偏航姿态进行控制；或，
[0011]当偏航磁场强度绝对值小于等于滚动磁场强度绝对值时，滚动姿态基于陀螺力矩控制，飞轮采用角动量交换方式对偏航姿态进行控制；
[0012]步骤3，飞轮斜装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度:
[0013]根据滚动和偏航磁场强度对滚动或偏航进行直接动量交换控制:
[0014]当滚动磁场强度绝对值大于偏航磁场强度绝对值时，偏航姿态基于陀螺力矩控制，对滚动姿态进行直接动量交换控制；或，
[0015]当滚动磁场强度绝对值小于等于偏航磁场强度绝对值时，滚动姿态基于陀螺力矩控制，对偏航姿态进行直接动量交换控制；
[0016]步骤4，三轴的磁控电流输出和俯仰轴的飞轮磁卸载融合控制，实现非偏置动量卫星三轴稳定控制。
[0017]所述的步骤I具体包括如下步骤:
[0018]步骤1.1,计算轮控电压Vx:
[0019]
Vpx = Kp * φ
Vsxk = VsxkA + Ki^ φ
Vdx = KcVjfi φ
[0020]其中，Kp为比例控制参数、Ki为积分控制参数、Kd为微分控制参数；P为滚动轴姿态角；夂为滚动轴角速率；Vpx为滚动轴比例控制电压值、Vsxk为滚动轴积分控制电压值、
Vsxk^1为滚动轴上周期积分控制电压值、Vdx为滚动轴微分控制电压值；
[0021]所述轮控电压Vx = Vpx+Vsx+Vdx,其中，Vsx为滚动轴积分控制电压值，同Vsxk ；
[0022]步骤1.2,计算磁卸载电流:
[0023]I_magx = O
[0024]I—magy = Bz^dwspdx
[0025]I—magz = -By^dwspdx
[0026]其中，By、Bz分别为俯仰轴和偏航轴的磁场强度；dwspck为滚动轴飞轮待卸载转速；I_magx、I_magy、I_magz分别为滚动轴、俯仰轴和偏航轴的磁卸载电流；
[0027]步骤1.3，确定用于磁控的磁场强度:
[0028]此时单飞轮为滚动轴飞轮，则滚动轴姿态主要由滚动轴飞轮进行控制，俯仰轴姿态由滚动轴磁力矩器和偏航轴磁力矩器进行控制，而偏航轴姿态由俯仰轴磁力矩器进行控制；同时俯仰轴磁力矩器兼顾滚动轴的姿态控制，并用于滚动轴飞轮的卸载:
[0029]若滚动轴磁场强度绝对值小于偏航轴磁场强度绝对值，则:
[0030]Mag_X = Bz
[0031]Mag_Z = Bx
[0032]若滚动轴磁场强度绝对值大于等于偏航轴磁场强度绝对值，则:
[0033]Mag_X = Bx
[0034]Mag_Z = -Bz
[0035]其中，Bx为滚动轴磁场强度；Mag_X为用于磁控的滚动轴磁场强度；Mag_Z为用于磁控的偏航轴磁场强度；
[0036]步骤1.4,分别计算滚动轴磁控电流Iconx、偏航轴磁控电流Iconz:
[0037]Iconx = (kvΘ + kyl * 6) * Mag — Z
[0038]Iconz = — (ky3 *θ + ky4 * 汐)* Mag — X
[0039]其中，kyl为俯仰轴姿态角计算滚动轴磁控电流参数、ky2为俯仰轴角速度计算滚动轴磁控电流参数、ky3为俯仰轴姿态角计算偏航轴磁控电流参数、ky4为俯仰轴角速度计算偏航轴磁控电流参数；Θ为俯仰轴姿态角；4为俯仰轴角速度；Mag_X，Mag_Z分别为用于磁控的滚动轴和偏航轴磁场强度；
[0040]步骤1.5,计算滚动轴磁电流Ix、偏航轴磁电流Iz输出:
[0041]Ix = Iconx
[0042]Iz = Iconz ο
[0043]所述的步骤2具体包括如下步骤:
[0044]步骤2.1，计算轮控电压Vx:
[0045]Vpz = Kp* Ψ
[0046]Vszk = Vszk—AKi* Ψ
[0047]Vdz^ Kcl ^xj/
[0048]其中,Kp为比例控制参数、Ki为积分控制参数、Kd为微分控制参数；Ψ为偏航轴姿态角；ψ为偏航轴角速率；Vpz为偏航轴比例控制电压值、Vszk为偏航轴积分控制电压值、Vszk^1为偏航轴上周期积分控制电压值、Vdz为偏航轴微分控制电压值；
[0049]所述轮控电压Vx = Vpz+Vsz+Vdz,其中，Vsz为偏航轴积分控制电压值，同Vszk ；
[0050]步骤2.2,计算磁卸载电流:
[0051]I—magx = By^dwspdz
[0052]I—magy = -Bx^dwspdz
[0053]I—magz = O
[0054]其中，Bx、By分别为滚动轴和俯仰轴的磁场强度；dwspdz为偏航轴飞轮待卸载转速；I_magx、I_magy、I_magz分别为滚动轴、俯仰轴和偏航轴的磁卸载电流；
[0055]步骤2.3，确定用于磁控的磁场强度:
[0056]此时单飞轮为偏航轴飞轮，则偏航轴姿态主要由偏航轴飞轮进行控制，俯仰轴姿态由滚动轴磁力矩器和偏航轴磁力矩器进行控制，而滚动轴姿态由俯仰轴磁力矩器进行控制；同时俯仰轴磁力矩器兼顾偏航轴的姿态控制，并用于偏航轴飞轮的卸载:
[0057]若滚动轴磁场强度绝对值大于偏航轴磁场强度绝对值,且偏航轴磁场强度绝对值小于0.1Gs，则:
[0058]Mag_X = Bz
[0059]Mag_Z = 4*Bx
[0060]若滚动轴磁场强度绝对值不大于偏航轴磁场强度绝对值，或偏航轴磁场强度绝对值不小于0.1Gs，则:
[0061]Mag_X = Bx
[0062]Mag_Z = -Bz
[0063]其中，Bx, Bz分别为滚动轴和偏航轴磁场强度；Mag_X为用于磁控的滚动轴磁场强度；Mag_Z为用于磁控的偏航轴磁场强度；
[0064]步骤2.4,计算滚动轴磁控电流Iconx、偏航轴磁控电流Iconz:
[0065]Iconx = {ky\*θ + kyl * θ)* Mag — Z
[0066]Iconz = ~{kyi *'θ + ky4 * 6) * Mag _X
[0067]其中，kyl为俯仰轴姿态角计算滚动轴磁控电流参数、ky2为俯仰轴角速度计算滚动轴磁控电流参数、ky3为俯仰轴姿态角计算偏航轴磁控电流参数、ky4为俯仰轴角速度计算偏航轴磁控电流参数；Θ为俯仰轴姿态角；么为俯仰轴角速度；Mag_X，Mag_Z分别为用于磁控的滚动轴和偏航轴磁场强度；
[0068]步骤2.5,计算磁电流Ix、Iz输出:
[0069]Ix = Iconx
[0070]Iz = Iconz0
[0071]所述的俯仰轴电流为俯仰轴磁控电流和俯仰轴的磁卸载电流的综合值:
[0072]Iy = Icony+I—magy
[0073]其中:
[0074]Icony = Iconyl+Icony2 ；
[0075]
Icony I = (kxl 务 φ 七 kxl * 分)* Mag _ z
[0076]式中，kxl为滚动轴姿态角计算俯仰轴磁控电流参数、kx2为滚动轴角速度计算俯仰轴磁控电流参数'<Ρ、Φ分别为滚动轴姿态角和滚动轴角速率；Mag_z为用于磁控的偏航轴磁场强度；
[0077]Iconyl = (kz\'*(// +kz2* ψ) * Mag _ x ;式中，kzl为偏航轴姿态角计算俯仰轴磁控电流参数、kz2分别为偏航轴角速度计算俯仰轴磁控电流参数；Ψ、P分别为偏航轴姿态角和偏航轴角速率;Mag_x为用于磁控的滚动轴磁场强度；
[0078]I_magy为俯仰轴的磁卸载电流。
[0079]所述I_magy通过飞轮安装轴确定。
[0080]所述飞轮斜装对三轴均有角动量分量。
[0081]所述步骤I中，俯仰轴磁力矩器根据偏航姿态对滚动施加干扰力矩，飞轮吸收干扰，通过陀螺力矩控制偏航姿态。
[0082]所述的所述步骤2中，俯仰轴磁力矩器根据滚动姿态对偏航施加干扰力矩，飞轮吸收干扰，通过陀螺力矩控制滚动姿。
[0083]所述飞轮的角动量轴与滚动轴之间的夹角为30°。
[0084]本发明提供的非偏置动量单飞轮加磁控制方法，基于滚动轴磁力矩器和偏航轴磁力矩器实现俯仰姿态连续磁控制；根据在轨滚动和偏航磁场强度特点，配置飞轮最佳安装角，近地卫星滚动和偏航磁场强度可以近似为正余弦曲线，偏航磁场强度幅值约为滚动磁场强度幅值的2倍，斜装飞轮采用直接动量控制，其角动量对滚动和偏航都有影响，考虑磁控效率，飞轮最佳安装为角动量轴与滚动轴夹角约30°。
[0085]本发明提供的非偏置动量单飞轮加磁控制方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果:
[0086]1、系统配置要求简单，仅需要单个飞轮和磁控实现非偏置动量卫星三轴稳定控制，提高了系统可靠性；
[0087]2、能够应用于微小卫星和中大型卫星飞轮故障控制模式；
[0088]3、根据滚动和偏航磁场强度进行角动量交换控制与陀螺力矩控制切换，算法计算简单，易于工程应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0089]图1为本发明选用的参考直角坐标系；
[0090]图2为本发明配置的飞轮最佳安装角示意图；
[0091 ] 图3是本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0092]以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
[0093]如图1?3所示，一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法，包含如下步骤:
[0094]步骤1、飞轮沿滚动轴(X轴)安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度:
[0095]当滚动磁场强度绝对值大于偏航磁场强度绝对值时,俯仰轴磁力矩器对偏航姿态进行磁控制，飞轮采用角动量交换方式对滚动姿态进行控制；或，
[0096]当滚动磁场强度绝对值小于等于偏航磁场强度绝对值时，偏航姿态基于陀螺力矩控制，飞轮采用角动量交换方式对滚动姿态进行控制；
[0097]步骤2，飞轮沿偏航轴(Z轴)安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度:
[0098]当偏航磁场强度绝对值大于滚动磁场强度绝对值时,俯仰轴磁力矩器对滚动姿态进行磁控制，飞轮采用角动量交换方式对偏航姿态进行控制；或，
[0099]当偏航磁场强度绝对值小于等于滚动磁场强度绝对值时，滚动姿态基于陀螺力矩控制，飞轮采用角动量交换方式对偏航姿态进行控制；
[0100]步骤3，飞轮斜装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度:
[0101]根据滚动和偏航磁场强度对滚动或偏航进行直接动量交换控制；
[0102]当滚动磁场强度绝对值大于偏航磁场强度绝对值时，偏航姿态基于陀螺力矩控制，对滚动姿态进行直接动量交换控制；或，
[0103]当滚动磁场强度绝对值小于等于偏航磁场强度绝对值时，滚动姿态基于陀螺力矩控制，对偏航姿态进行直接动量交换控制；
[0104]步骤4，三轴(X、Y、Z轴)的磁控电流输出和俯仰轴(Y轴)的飞轮磁卸载融合控制，实现非偏置动量卫星三轴稳定控制。
[0105]所述的步骤I具体包括如下步骤:
[0106]步骤1.1,计算轮控电压Vx:
[0107]
Vpx = Kpφ
Vsxk = Vsxk_x -l.Ki ^ φ
Vdx= Kd ^ φ
[0108]其中，Kp为比例控制参数、Ki为积分控制参数、Kd为微分控制参数；φ为滚动轴姿态角；々为滚动轴角速率；Vpx为滚动轴比例控制电压值、Vsxk为滚动轴积分控制电压值、Vsxk^1为滚动轴上周期积分控制电压值、Vdx为滚动轴微分控制电压值；
[0109]所述轮控电压Vx = Vpx+Vsx+Vdx,其中，Vsx为滚动轴积分控制电压值，同Vsxk ；
[0110]步骤1.2，计算磁卸载电流:
[0111]1_ magx = O
[0112]I—magy = Bz^dwspdx
[0113]I—magz = -By^dwspdx
[0114]其中，By、Bz分别为俯仰轴和偏航轴的磁场强度；dwspck为滚动轴飞轮待卸载转速；I_magx、I_magy、I_magz分别为滚动轴、俯仰轴和偏航轴的磁卸载电流；
[0115]根据磁场强度的分布，By为一极小值，因此用于滚动轴飞轮卸载的主要是俯仰轴磁力矩器，I_magz近似为O ;
[0116]步骤1.3,确定用于磁控的磁场强度:
[0117]此时单飞轮为滚动轴飞轮，则滚动轴姿态主要由滚动轴飞轮进行控制，俯仰轴姿态由滚动轴磁力矩器和偏航轴磁力矩器进行控制，而偏航轴姿态由俯仰轴磁力矩器进行控制；同时俯仰轴磁力矩器兼顾滚动轴的姿态控制，并用于滚动轴飞轮的卸载:
[0118]若滚动轴磁场强度绝对值小于偏航轴磁场强度绝对值，则:
[0119]Mag—X = Bz
[0120]Mag—Z = Bx
[0121 ] 若滚动轴磁场强度绝对值大于等于偏航轴磁场强度绝对值,则:
[0122]Mag_X = Bx
[0123]Mag_Z = -Bz
[0124]其中，Bx为滚动轴磁场强度；Mag_X为用于磁控的滚动轴磁场强度；Mag_Z为用于磁控的偏航轴磁场强度；
[0125]步骤1.4,分别计算滚动轴磁控电流Iconx、偏航轴磁控电流Iconz::
[0126]Iconx =(人>，1 ^θ + kyl * 句 * Mag — Z
[0127]Iconz = — (ky3 *θ + ky4 * P) * Mag_X
[0128]其中，kyl为俯仰轴姿态角计算滚动轴磁控电流参数、ky2为俯仰轴角速度计算滚动轴磁控电流参数、ky3为俯仰轴姿态角计算偏航轴磁控电流参数、ky4为俯仰轴角速度计算偏航轴磁控电流参数；Θ为俯仰轴姿态角；4为俯仰轴角速度；Mag_X，Mag_Z分别为用于磁控的滚动轴和偏航轴磁场强度；
[0129]步骤1.5,计算滚动轴磁电流Ix、偏航轴磁电流Iz输出:
[0130]Ix = Iconx
[0131]Iz = Iconz ο
[0132]优选地，所述的步骤2具体包括如下步骤:
[0133]步骤2.1，计算轮控电压Vx:
[0134]Vpz = Kp* Ψ
[0135]Vszk = Vsz^^Ki* Ψ
[0136]Vdz = Kd * ψ
[0137]其中,Kp为比例控制参数、Ki为积分控制参数、Kd为微分控制参数；Ψ为偏航轴姿态角；Ψ为偏航轴角速率；Vpz为偏航轴比例控制电压值、Vszk为偏航轴积分控制电压值、
Vszk^1为偏航轴上周期积分控制电压值、Vdz为偏航轴微分控制电压值；
[0138]所述轮控电压Vx = Vpz+Vsz+Vdz,其中，Vsz为偏航轴积分控制电压值，同Vszk ；
[0139]步骤2.2,计算磁卸载电流:
[0140]I_magx = By*dwspdz
[0141]I_magy = _Bx*dwspdz
[0142]I_magz = 0
[0143]其中，Bx、By分别为滚动轴和俯仰轴的磁场强度；dWSpdz为偏航轴飞轮待卸载转速；I_magx、I_magy、I_magz分别为滚动轴、俯仰轴和偏航轴的磁卸载电流；
[0144]根据磁场强度的分布，By为一极小值，因此用于滚动轴飞轮卸载的主要是俯仰轴磁力矩器，I_magx近似为O ;
[0145]步骤2.3，确定用于磁控的磁场强度:
[0146]此时单飞轮为偏航轴飞轮，则偏航轴姿态主要由偏航轴飞轮进行控制，俯仰轴姿态由滚动轴磁力矩器和偏航轴磁力矩器进行控制，而滚动轴姿态由俯仰轴磁力矩器进行控制；同时俯仰轴磁力矩器兼顾偏航轴的姿态控制，并用于偏航轴飞轮的卸载:
[0147]若滚动轴磁场强度绝对值大于偏航轴磁场强度绝对值,且偏航轴磁场强度绝对值小于0.1Gs，则:
[0148]Mag—X = Bz
[0149]Mag—Z = 4*Bx
[0150]若滚动轴磁场强度绝对值不大于偏航轴磁场强度绝对值,或偏航轴磁场强度绝对值不小于0.1Gs，则:
[0151]Mag_X = Bx
[0152]Mag_Z = -Bz
[0153]其中，Bx, Bz分别为滚动轴和偏航轴磁场强度；Mag_X为用于磁控的滚动轴磁场强度；Mag_Z为用于磁控的偏航轴磁场强度；
[0154]步骤2.4,计算滚动轴磁控电流Iconx、偏航轴磁控电流Iconz:
[0155]Iconx - (ky 1*0 + ky2 * 6) * Mag _ Z
[0156]Iconz = -^/:ν-3 * θ + ky4 Mag — X
[0157]其中，kyl为俯仰轴姿态角计算滚动轴磁控电流参数、ky2为俯仰轴角速度计算滚动轴磁控电流参数、ky3为俯仰轴姿态角计算偏航轴磁控电流参数、ky4为俯仰轴角速度计算偏航轴磁控电流参数；Θ为俯仰轴姿态角；6为俯仰轴角速度；Mag_X为用于磁控的滚动轴磁场强度；Mag_Z为用于磁控的偏航轴磁场强度；
[0158]步骤1.5,计算磁电流Ix、Iz输出:
[0159]Ix = Iconx
[0160]Iz = Iconz。
[0161]所述的俯仰轴电流为俯仰轴磁控电流和俯仰轴的磁卸载电流的综合值:
[0162]Iy = Icony+I_magy
[0163]其中:
[0164]Icony = Iconyl+Icony2 ；
[0165]+—z.式中，kxl为滚动轴姿态角计算俯仰轴磁控电
9
流参数、kx2为滚动轴角速度计算俯仰轴磁控电流参数φ P分别为滚动轴姿态角和滚动轴角速率;Mag_z为用于磁控的偏航轴磁场强度；
[0166]Iconyl = {kz\* ψ + kzl *y/)* Mag _x ;式中，kzl为偏航轴姿态角计算俯仰轴磁控电流参数、kz2分别为偏航轴角速度计算俯仰轴磁控电流参数；Ψ、#分别为偏航轴姿态角和偏航轴角速率;Mag_x为用于磁控的滚动轴磁场强度；
[0167]I_magy为俯仰轴的磁卸载电流。
[0168]所述I_magy通过飞轮安装轴确定。
[0169]所述飞轮斜装对三轴均有角动量分量。
[0170]所述步骤I中，俯仰轴磁力矩器根据偏航姿态对滚动施加干扰力矩，飞轮吸收干扰，通过陀螺力矩控制偏航姿态。
[0171]所述的所述步骤2中，俯仰轴磁力矩器根据滚动姿态对偏航施加干扰力矩，飞轮吸收干扰，通过陀螺力矩控制滚动姿。
[0172]所述飞轮的角动量轴与滚动轴之间的夹角为30°。
[0173]具体为:
[0174]本发明的方法具体步骤如图3所示:
[0175]a.计算轮控转速
[0176]I)若为X轴飞轮:
[0177]
Vpx = Kpφ
Vsxk = Vsxk ' 七 Ki 详 φ
Vdx = Kd * φ
[0178]其中:kp、k1、kd为轮控参数；
[0179]φ、φ—滚动轴姿态角和角速率。
[0180]X 轴轮控电压:Vx = Vpx+Vsx+Vdx
[0181]2)若为Z轴飞轮:
[0182]Vpz = Kp* Ψ
[0183]Vszk = Vsz^^Ki* Ψ
[0184]Vdz = Kd * (//
[0185]其中:kp、k1、kd为轮控参数；
[0186]Ψ、ψ-偏航轴姿态角和角速率。
[0187]Z 轴轮控电压:Vz = Vpz+Vsz+Vdz
[0188]斜装飞轮根据安装角调整轮控电压。
[0189]b.计算磁卸载电流
[0190]I)若为X轴飞轮
[0191]I_magx = O
[0192]I_magy = Bz*dwspdx
[0193]I_magz = _By*dwspdx
[0194]式中:Bx、By、Bz-三轴磁场强度；
[0195]dwspdx-X轴飞轮待卸载转速；
[0196]I_magx、I_magy> I_magz-三轴磁卸载电流。
[0197]根据磁场强度的分布，By为一极小值，因此用于X轴飞轮卸载的主要是Y轴磁力矩器，I_magz近似为O。
[0198]2)若为Z轴飞轮
[0199]I_magx = By*dwspdz
[0200]I_magy = _Bx*dwspdz
[0201]I_magz = 0
[0202]式中:dwspdz-Z轴飞轮待卸载转速。
[0203]同样用于Z轴飞轮卸载的主要是Y轴磁力矩器，Ijnagx近似为O。。
[0204]c.确定用于磁控的磁场强度
[0205]I)若为X轴飞轮
[0206]若单飞轮为X轴飞轮，则X轴姿态主要由X轴飞轮进行控制，Y轴姿态由X/Z轴磁力矩器进行控制，而Z轴姿态由Y轴磁力矩器进行控制；同时Y轴磁力矩器兼顾X轴的姿态控制，并用于X飞轮的卸载。
[0207]若X轴磁场强度绝对值小于Z轴磁场强度绝对值，则:
[0208]Mag_X = Bz
[0209]Mag_Z = Bx
[0210]若X轴磁场强度绝对值不小于Z轴磁场强度绝对值，则:
[0211]Mag_X = Bx
[0212]Mag_Z =-Bz
[0213]2)若为Z轴飞轮
[0214]若单飞轮为Z轴飞轮，则Z轴姿态主要由Z轴飞轮进行控制，Y轴姿态由X/Z轴磁力矩器进行控制，而X轴姿态由Y轴磁力矩器进行控制；同时Y轴磁力矩器兼顾Z轴的姿态控制，并用于Z轴飞轮的卸载。
[0215]若X轴磁场强度绝对值大于Z轴磁场强度绝对值,且Z轴磁场强度绝对值小于
0.1GsJJ:
[0216]Mag_X = Bz
[0217]Mag_Z = 4*Bx
[0218]若X轴磁场强度绝对值不大于Z轴磁场强度绝对值，或Z轴磁场强度绝对值不小于 0.1Gs，则:
[0219]Mag_X = Bx
[0220]Mag_Z = -Bz
[0221]式中:Bx、Bz——卫星X/Z轴磁场强度；
[0222]Mag_X、Mag_Z——用于磁控的X/Z轴磁场强度。
[0223]d.计算磁控电流
[0224]1)X 轴磁控电流 /<_<船二&’丨*^ + /^*乡—z
[0225]2)Z 轴磁控电流:Iu川=(ky\:!fe + ky2*e]^Mag_x
[0226]3) Y轴磁控电流:
[0227]控X 轴:= (/a-1 *φ + kxl * φ)'* Mag _ z
[0228]控Z 轴:fcoiiy 2 =(々z I * I// -1- kzl * ψ) * Mag — x
[0229]Y 轴总的磁控电流:Icony = Iconyl+Icony2
[0230]其中:kyl、ky2、kxl、kx2、kzl、kz2-磁控电流参数，试验中 kyl 为 1000, ky2 为
100000，kxl、kzl 为 20，kx2、kz2 为 20000。
[0231]e.计算磁电流输出
[0232]无论是X轴飞轮或Z轴飞轮，用于飞轮卸载的主要为Y轴磁力矩器，因此三根磁力矩器的输出分别如下所示:
[0233]1)X/Z轴磁力矩器为磁控电流:Ix = Iconx ；Iz = Iconz
[0234]2) Y轴磁力矩器为磁控电流和卸载电流的综合值:Iy = Icony+I_magy。
[0235]本实施例提供的非偏置动量单飞轮加磁控制方法，仅依靠单个飞轮和磁控实现非偏置动量卫星三轴稳定控制，并进行了飞轮最佳安装角设计。根据滚动和偏航磁场强度确定俯仰轴磁力矩器对滚动/偏航姿态进行磁控制，沿滚动或偏航正装飞轮根据滚动和偏航磁场强度进行角动量交换控制与陀螺力矩控制，斜装飞轮采用直接动量交换控制，并应用磁对飞轮卸载；根据在轨滚动和偏航磁场强度特点设计飞轮最佳安装角。
[0236]本实施例系统配置要求简单，仅需要单个飞轮和磁控实现非偏置动量卫星三轴稳定控制，提高了系统可靠性；能够应用于微小卫星飞轮控制和中大型卫星飞轮故障控制模式；根据滚动和偏航磁场强度进行角动量交换控制与陀螺力矩控制，算法计算简单，易于工程应用。
[0237]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，包含如下步骤: 步骤1、飞轮沿滚动轴安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度: 当滚动磁场强度绝对值大于偏航磁场强度绝对值时，俯仰轴磁力矩器对偏航姿态进行磁控制，飞轮采用角动量交换方式对滚动姿态进行控制；或， 当滚动磁场强度绝对值小于等于偏航磁场强度绝对值时，偏航姿态基于陀螺力矩控制，飞轮采用角动量交换方式对滚动姿态进行控制； 步骤2，飞轮沿偏航轴安装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度: 当偏航磁场强度绝对值大于滚动磁场强度绝对值时，俯仰轴磁力矩器对滚动姿态进行磁控制，飞轮采用角动量交换方式对偏航姿态进行控制；或， 当偏航磁场强度绝对值小于等于滚动磁场强度绝对值时，滚动姿态基于陀螺力矩控制，飞轮采用角动量交换方式对偏航姿态进行控制； 步骤3，飞轮斜装，确定轮控模式及用于磁控的磁场强度: 根据滚动和偏航磁场强度对滚动或偏航进行直接动量交换控制； 当滚动磁场强度绝对值大于偏航磁场强度绝对值时，偏航姿态基于陀螺力矩控制，对滚动姿态进行直接动量交换控制；或， 当滚动磁场强度绝对值小于等于偏航磁场强度绝对值时，滚动姿态基于陀螺力矩控制，对偏航姿态进行直接动量交换控制； 步骤4，三轴的磁控电流输出和俯仰轴的飞轮磁卸载融合控制，实现非偏置动量卫星三轴稳定控制。
2.如权利要求1所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述的步骤I具体包括如下步骤: 步骤1.1,计算轮控电压Vx:
Vpx = Kp * φ
Vsxh = Vsxh I + Κι ψ
Vdx= Kd'名 φ 其中，Kp为比例控制参数、Ki为积分控制参数、Kd为微分控制参数；I为滚动轴姿态角；卢:为滚动轴角速率；Vpx为滚动轴比例控制电压值、Vsxk为滚动轴积分控制电压值、Vsxk^1为滚动轴上周期积分控制电压值、Vdx为滚动轴微分控制电压值； 所述轮控电压Vx = Vpx+Vsx+Vdx,其中，Vsx为滚动轴积分控制电压值，同Vsxk ；； 步骤1.2，计算磁卸载电流:
I—magx = O
I—magy = Bz^dwspdx
I—magz = -By^dwspdx 其中，By、Bz分别为俯仰轴和偏航轴的磁场强度；dwspdX为滚动轴飞轮待卸载转速；1_magx、I_magy、I_magz分别为滚动轴、俯仰轴和偏航轴的磁卸载电流； 步骤1.3，确定用于磁控的磁场强度: 此时单飞轮为滚动轴飞轮，则滚动轴姿态主要由滚动轴飞轮进行控制，俯仰轴姿态由滚动轴磁力矩器和偏航轴磁力矩器进行控制，而偏航轴姿态由俯仰轴磁力矩器进行控制；同时俯仰轴磁力矩器兼顾滚动轴的姿态控制，并用于滚动轴飞轮的卸载: 若滚动轴磁场强度绝对值小于偏航轴磁场强度绝对值，则:
Mag—X = Bz
Mag—Z = Bx 若滚动轴磁场强度绝对值大于等于偏航轴磁场强度绝对值，则:
Mag_X = Bx
Mag_Z = -Bz 其中，Bx为滚动轴磁场强度；Mag_X为用于磁控的滚动轴磁场强度；Mag_Z为用于磁控的偏航轴磁场强度； 步骤1.4,分别计算滚动轴磁控电流Iconx、偏航轴磁控电流Iconz:
Iconx - (/?ν? *θ + ky2 Mag _Z
Iconz --(人:v3*θ + kvA-Mag _ X 其中，kyl为俯仰轴姿态角计算滚动轴磁控电流参数、ky2为俯仰轴角速度计算滚动轴磁控电流参数、ky3为俯仰轴姿态角计算偏航轴磁控电流参数、ky4为俯仰轴角速度计算偏航轴磁控电流参数；Θ为俯仰轴姿态角；4为俯仰轴角速度；Mag_X，Mag_Z*别为用于磁控的滚动轴和偏航轴磁场强度； 步骤1.5,计算滚动轴磁电流Ix、偏航轴磁电流Iz输出:
Ix = Iconx
Iz = Iconz0
3.如权利要求1所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述的步骤2具体包括如下步骤: 步骤2.1,计算轮控电压Vx:
Vpz = Kp* Ψ
Vszk = VszH+Ki* Ψ
Vdz = Kd * ψ 其中，Kp为比例控制参数、Ki为积分控制参数、Kd为微分控制参数；Ψ为偏航轴姿态角；P为偏航轴角速率；Vpz为偏航轴比例控制电压值、Vszk为偏航轴积分控制电压值、Vszh为偏航轴上周期积分控制电压值、Vdz为偏航轴微分控制电压值； 所述轮控电压Vx = Vpz+Vsz+Vdz,其中，Vsz为偏航轴积分控制电压值，同Vszk ； 步骤2.2，计算磁卸载电流:
I—magx = By5^dwspdz
I—magy = -Bx^dwspdz
I—magz = O 其中，Bx、By分别为滚动轴和俯仰轴的磁场强度；dWSpdz为偏航轴飞轮待卸载转速；1_magx、I_magy、I_magz分别为滚动轴、俯仰轴和偏航轴的磁卸载电流； 步骤2.3，确定用于磁控的磁场强度: 此时，单飞轮为偏航轴飞轮，则偏航轴姿态主要由偏航轴飞轮进行控制，俯仰轴姿态由滚动轴磁力矩器和偏航轴磁力矩器进行控制，而滚动轴姿态由俯仰轴磁力矩器进行控制；同时俯仰轴磁力矩器兼顾偏航轴的姿态控制，并用于偏航轴飞轮的卸载: 若滚动轴磁场强度绝对值大于偏航轴磁场强度绝对值，且偏航轴磁场强度绝对值小于0.1GsJJ:
Mag—X = Bz
Mag—Z = ^Bx 若滚动轴磁场强度绝对值不大于偏航轴磁场强度绝对值，或偏航轴磁场强度绝对值不小于0.1Gs，则:
Mag—X = Bx
Mag—Z = -Bz 其中，Bx，Bz分别为滚动轴和偏航轴磁场强度；Mag_X为用于磁控的滚动轴磁场强度；Mag_Z为用于磁控的偏航轴磁场强度； 步骤2.4,计算滚动轴磁控电流Iconx、偏航轴磁控电流Iconz:
Iconx - (ky 丨 * 沒 + kyl Mag — Z
Iconz = -(ky3*θ + kyA*渗)* Mag — X 其中，kyl为俯仰轴姿态角计算滚动轴磁控电流参数、ky2为俯仰轴角速度计算滚动轴磁控电流参数、ky3为俯仰轴姿态角计算偏航轴磁控电流参数、ky4为俯仰轴角速度计算偏航轴磁控电流参数；Θ为俯仰轴姿态角；6为俯仰轴角速度；Mag_X，Mag_Z*别为用于磁控的滚动轴和偏航轴磁场强度； 步骤2.5,计算磁电流Ix、Iz输出:
Ix = Iconx
Iz = Iconz0
4.如权利要求2或3所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述的俯仰轴电流为俯仰轴磁控电流和俯仰轴的磁卸载电流的综合值:
Iy = Icony+I_magy
其中:
Icony = Iconyl+Icony2 ； tcony\ ={kx\^9 + kxlφ)^ Mag_z.式中，kxl为滚动轴姿态角计算俯仰轴磁控电流参
9数、kx2为滚动轴角速度计算俯仰轴磁控电流参数φ P分别为滚动轴姿态角和滚动轴角速率;Mag_z为用于磁控的偏航轴磁场强度； /rw7V2 = (fcrPv/+fcr2N/>”Mi/g_.v;式中，kzl为偏航轴姿态角计算俯仰轴磁控电流参数、kz2分别为偏航轴角速度计算俯仰轴磁控电流参数；Ψ、#分别为偏航轴姿态角和偏航轴角速率;Mag_x为用于磁控的滚动轴磁场强度； I_magy为俯仰轴的磁卸载电流。
5.如权利要求4所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述I_magy通过飞轮安装轴确定。
6.如权利要求1所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述飞轮斜装对三轴均有角动量分量。
7.如权利要求1或2所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述步骤I中，俯仰轴磁力矩器根据偏航姿态对滚动施加干扰力矩，飞轮吸收干扰，通过陀螺力矩控制偏航姿态。
8.如权利要求1或3所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述的所述步骤2中，俯仰轴磁力矩器根据滚动姿态对偏航施加干扰力矩，飞轮吸收干扰，通过陀螺力矩控制滚动姿。
9.如权利要求1所述的非偏置动量单飞轮加磁控制算法，其特征在于，所述飞轮的角动量轴与滚动轴之间的夹角为30°。
【文档编号】B64G1/28GK104176276SQ201410404052
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】王献忠, 张肖, 张国柱 申请人:上海新跃仪表厂